KR100655291B1 - Non-volatile semiconductor memory device and method of fabrication the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비휘발성 반도체 메모리에 관한 것이다. 본 발명의 비휘발성 반도체 메모리 장치에 의하면, 반도체 기판의 활성영역을 한정하는 소자분리막이 소정 두께만큼 리세스되어 상기 리세스된 소자분리막 사이로 반도체 기판의 상부면이 돌출되게 형성된다. 또한 상기 소자분리막과 반도체 기판의 상부면을 따라 게이트 절연막과 게이트 도전막이 형성된다. 위와 같은 구조하에서는, 반도체 기판상에 형성된 게이트 절연막이 활성영역의 중심과 가장자리를 포함한 전 영역에서 모두 균일한 두께로 형성된다. 이로 인하여 데이터의 프로그램/소거 동작이 반도체 기판상의 각 활성영역에서 동일한 속도로 이루어지게 되고 반도체 메모리 장치의 성능을 전반적으로 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory. According to the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, an isolation layer defining an active region of a semiconductor substrate is recessed by a predetermined thickness so that an upper surface of the semiconductor substrate protrudes between the recessed isolation layers. A gate insulating film and a gate conductive film are formed along the upper surface of the device isolation film and the semiconductor substrate. Under the above structure, the gate insulating film formed on the semiconductor substrate is formed to have a uniform thickness in all regions including the center and the edge of the active region. As a result, the program / erase operation of data is performed at the same speed in each active region on the semiconductor substrate, and the overall performance of the semiconductor memory device can be improved.

Description

비휘발성 반도체 메모리 장치 및 그 제조방법{Non-volatile semiconductor memory device and method of fabrication the same}Non-volatile semiconductor memory device and method for manufacturing the same
도 1은 종래의 소노스 메모리 장치의 비트라인 방향 단면도,1 is a cross-sectional view in a bit line direction of a conventional Sonos memory device;
도 2는 종래의 소노스 메모리 장치의 게이트 방향 단면도,2 is a cross-sectional view in a gate direction of a conventional Sonos memory device;
도 3a 및 3b는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 도면,3a and 3b are views for explaining the problems of the prior art,
도 4a 내지 4d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 비휘발성 반도체 메모리 장치의 게이트 방향 단면도,4A through 4D are gate sectional views of a nonvolatile semiconductor memory device according to various embodiments of the present disclosure;
도 5a 내지 5e는 본 발명의 실시예에 따른 비휘발성 반도체 메모리 장치의 제조과정을 나타내는 공정단면도이다.5A through 5E are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to an embodiment of the present invention.
♧ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♧♧ description of symbols for the main parts of the drawing
10 -- 반도체 기판 20 -- 게이트 절연막10-semiconductor substrate 20-gate insulating film
30 -- 터널링 절연막 40 -- 전하저장막30-Tunneling insulating film 40-Charge storage film
50 -- 블로킹 절연막 60 -- 게이트 도전막50-blocking insulating film 60-gate conductive film
70 -- 금속막 80 -- 게이트 전극70-metal film 80-gate electrode
90 -- 소자분리막90-device separator
본 발명은 반도체 메모리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비휘발성 반도체 메모리 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor memory, and more particularly to a nonvolatile semiconductor memory device and a method of manufacturing the same.
반도체 메모리 장치들은 각종 데이터를 저장하기 위해 사용되며, 일반적으로 휘발성(volatile)과 비휘발성(non-volatile) 메모리 장치로 구분된다. 휘발성 메모리 장치는 전원 공급이 중단되면 저장된 데이터도 소멸하지만, 비휘발성 메모리 장치는 전원 공급이 중단되더라도 저장된 데이터를 유지한다. 따라서 휴대 전화나 기타 음악이나 영상을 저장하는 메모리 카드와 같은 다양한 응용 장치 등에서, 전원을 계속적으로 사용할 수 없게 되는 상황하에서 비휘발성 메모리 장치들이 폭넓게 사용된다.Semiconductor memory devices are used to store various types of data, and are generally classified into volatile and non-volatile memory devices. Volatile memory devices lose their stored data when their power supply is interrupted, while nonvolatile memory devices retain their stored data even when their power supply is interrupted. Therefore, non-volatile memory devices are widely used in various applications such as mobile phones or other memory cards for storing music or images, under the situation where power is not continuously available.
비휘발성 메모리 장치는 메모리 셀을 형성하는 구조에 따라 부유 게이트형 메모리 장치(floating gate type memory device)와 부유 트랩형 메모리 장치(floating trap type memory device)로 구분된다. 부유 게이트형 메모리 장치는 반도체 기판과 제어 게이트 사이에 절연막으로 고립된 부유 게이트를 형성하고, 상기 부유 게이트 내에 전하를 저장하는 방법으로 데이터를 프로그램 한다. 이에 비해 부유 트랩형 메모리 장치는 반도체 기판과 게이트 전극 사이의 비도전성 전하저장막 내에 형성되는 트랩에 전하를 저장하는 방법으로 데이터를 프로그램 한다. A nonvolatile memory device is classified into a floating gate type memory device and a floating trap type memory device according to a structure of forming a memory cell. A floating gate type memory device programs data by forming a floating gate isolated with an insulating layer between a semiconductor substrate and a control gate, and storing charge in the floating gate. In contrast, the floating trap type memory device programs data by storing a charge in a trap formed in a non-conductive charge storage layer between a semiconductor substrate and a gate electrode.
부유 게이트형 메모리 장치는 도전성 부유 게이트를 사용하므로 부유 게이트와 반도체 기판을 이격시키는 터널링 절연막 일부에 결함이 발생하면 부유 게이트에 저장된 모든 전하를 잃을 수 있다. 따라서, 부유 게이트형 메모리 장치의 신뢰 성(reliability) 유지를 위해 상대적으로 두꺼운 터널링 절연막이 필요하다. 반면, 부유 트랩형 메모리 장치는 전하가 깊은 준위의 트랩(deep level trap)에 저장되기 때문에 부유 게이트형 메모리 장치에 비하여 얇은 두께의 터널링 절연막을 사용할 수 있고 상대적으로 낮은 전압에서도 동작할 수 있는 장점이 있다. Since the floating gate type memory device uses a conductive floating gate, when a defect occurs in a portion of the tunneling insulating layer spaced apart from the floating gate and the semiconductor substrate, all of the charge stored in the floating gate may be lost. Therefore, a relatively thick tunneling insulating film is required to maintain the reliability of the floating gate type memory device. On the other hand, since the floating trap type memory device is stored in a deep level trap of charge, it has the advantage of using a thinner tunneling insulating film and operating at a relatively low voltage than the floating gate type memory device. have.
부유 트랩형 메모리 장치의 전형적인 구조는, 내부에 채널 영역이 형성되는 실리콘 기판, 터널링(tunneling)층을 형성하는 산화막, 전하저장막으로 사용되는 질화막, 블로킹(blocking)막으로 사용되는 산화막 및 컨트롤 게이트 전극으로 사용되는 도전막을 포함한다. 이를 통상 소노스(SONOS; Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) 셀 구조라 지칭한다. 이 때 전하저장막은 질화막외에 실리콘 게르마늄(SiGe) 양자점, 실리콘 양자점, 금속 양자점과 같은 점 형태의 서로 분리된 전하저장소가 분포되는 형태를 가질 수도 있고, 절연막 형태의 고유전물질도 한 변형의 예가 된다. Typical structures of a floating trap type memory device include a silicon substrate having a channel region formed therein, an oxide film forming a tunneling layer, a nitride film used as a charge storage film, an oxide film used as a blocking film, and a control gate. It includes a conductive film used as an electrode. This is commonly referred to as a Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon (SONOS) cell structure. In this case, the charge storage layer may have a form in which separate charge storage units in the form of dots such as silicon germanium (SiGe) quantum dots, silicon quantum dots, and metal quantum dots are distributed in addition to the nitride film, and a high dielectric material in the form of an insulating layer is an example of a modification. .
도 1은 종래의 소노스 메모리 장치의 구성을 나타내는 단면도로서, 비트라인을 따라 절단한 상태를 도시한 것이다. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional Sonos memory device, and illustrates a state cut along a bit line.
도 1을 참조하면, 소노스 메모리 장치는 p형 반도체 기판(1)상에 게이트 스택(2)이 형성되는데, 상기 게이트 스택(2)은 순차적으로 적층된 터널링 절연막(3), 전하저장막(4), 블로킹 절연막(5) 및 게이트 도전막(6)을 패터닝한 것이다. 상기 게이트 스택(2)의 양측으로는 n형 불순물에 의해 소오스/드레인 영역(7,8)이 형성된다. Referring to FIG. 1, in the sonos memory device, a gate stack 2 is formed on a p-type semiconductor substrate 1, and the gate stack 2 includes a tunneling insulating layer 3 and a charge storage layer 3 which are sequentially stacked. 4) The blocking insulating film 5 and the gate conductive film 6 are patterned. Source / drain regions 7 and 8 are formed on both sides of the gate stack 2 by n-type impurities.
상기 전하저장막(4)은, 통상 실리콘 질화막으로서 트랩 준위를 가지고 있는 데 소노스 메모리 장치는 이러한 트랩 준위를 이용한 것이며 개략적인 동작 과정은 다음과 같다. The charge storage film 4 usually has a trap level as a silicon nitride film, but the Sonos memory device uses the trap level, and a schematic operation process is as follows.
상기 반도체 기판(1), 터널링 절연막(3), 전하저장막(4), 블로킹절연막(5) 및 게이트 도전막(6)에 해당하는 물질들은 각각 고유의 에너지 밴드 갭을 가지고, 에너지 밴드 갭의 차이에 의해 각각의 계면에 전위장벽(potential barrier)을 형성한다. 여기서 게이트 전극(2) 및 드레인 영역(8)에 양전압을 인가하고 소오스 영역(7)을 접지시키면, 소오스 영역(7)에서 드레인 영역(8)에 이르는 채널을 따라 전계가 형성된다. 이러한 전계에 의해 소오스 영역(7)의 전자들이 드레인 영역(8)으로 가속되는데, 이 중 일부가 터널링 절연막(3)의 전위장벽을 통과할 수 있을 정도의 에너지를 가지고 터널링되어 전하저장막(4)의 트랩준위에 포획된다. 이와 같이 전하저장막(4) 내에 전자가 포획되어 축적되면 트랜지스터의 문턱전압(threshold voltage)이 상승하여 프로그램 상태(또는 소거 상태)가 된다. 반대로 게이트 스택(2)에 음전압을 인가하면 전하저장막(4) 내의 트랩에 포획되어 있던 전자가 터널링 절연막(3)을 통하여 터널링되어 반도체 기판(1)으로 빠져나간다. 이와 동시에, 반도체 기판(1)으로부터 정공이 터널링 절연막(3)을 통과하여 전하저장막(4)에 포획되고 소자의 문턱전압이 낮아져 소거상태(또는 프로그램 상태)가 된다. The materials corresponding to the semiconductor substrate 1, the tunneling insulating film 3, the charge storage film 4, the blocking insulating film 5 and the gate conductive film 6 each have a unique energy band gap, The difference creates a potential barrier at each interface. When a positive voltage is applied to the gate electrode 2 and the drain region 8 and the source region 7 is grounded, an electric field is formed along the channel from the source region 7 to the drain region 8. The electrons in the source region 7 are accelerated to the drain region 8 by the electric field, and some of them are tunneled with energy enough to pass through the potential barrier of the tunneling insulating layer 3 to charge storage layer 4. Trapped at the trap level. As such, when electrons are trapped and accumulated in the charge storage film 4, the threshold voltage of the transistor is increased to become a program state (or an erase state). On the contrary, when a negative voltage is applied to the gate stack 2, electrons trapped in the trap in the charge storage film 4 are tunneled through the tunneling insulating film 3 to exit to the semiconductor substrate 1. At the same time, holes from the semiconductor substrate 1 pass through the tunneling insulating film 3 and are trapped in the charge storage film 4, and the threshold voltage of the device is lowered to be in an erased state (or a program state).
도 2는 종래의 소노스 메모리 장치의 게이트 방향 단면도이다. 도 2를 참조하면, 반도체 기판(1)상에 활성영역을 한정하는 소자분리막(9)이 형성되며, 상기 소자분리막(9)과 활성영역에 속하는 반도체 기판(1)의 상부면을 따라 터널링 절연막(3)과 전하저장막(4) 및 블로킹 절연막(5)이 적층되고 상기 블로킹 절연막(5)의 상부에 게이트 도전막(6)이 형성되어 있다. 2 is a sectional view in a gate direction of a conventional Sonos memory device. Referring to FIG. 2, an isolation layer 9 defining an active region is formed on the semiconductor substrate 1, and a tunneling insulation layer is formed along the upper surface of the isolation layer 9 and the semiconductor substrate 1 belonging to the active region. (3), the charge storage film 4 and the blocking insulating film 5 are stacked, and the gate conductive film 6 is formed on the blocking insulating film 5.
그런데, 도 1 및 도 2에 도시된 소노스 메모리 장치를 비롯한 반도체 메모리 장치는 고집적화 추세에 따라 그 크기가 축소되고 있는데, 그에 따라 종래 부각되지 않았던 미세한 영역에서의 구조가 메모리 장치의 동작에 영향을 미치게 되었다. 특히 본 발명은 반도체 기판의 활성영역과 소자분리막간 경계에서의 구조와 관련된것인데, 이하에서는 도면을 참조하여 종래 기술에 내재된 문제점을 살펴보도록 한다.However, semiconductor memory devices, including the sonos memory device shown in FIGS. 1 and 2, have been reduced in size due to a high integration trend. Accordingly, the structure in the microscopic area, which has not been previously highlighted, may affect the operation of the memory device. Went crazy. In particular, the present invention relates to a structure at the boundary between the active region of the semiconductor substrate and the device isolation layer. Hereinafter, the problems inherent in the prior art will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3a 및 3b는 종래 기술의 문제점을 설명하기 위한 도면으로, 도 3a는 종래 소노스 메모리 장치의 게이트 방향 상세 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 점선부분에 대한 확대도이다. 3A and 3B are diagrams for explaining a problem of the prior art. FIG. 3A is a detailed cross-sectional view of a gate direction of a conventional Sonos memory device, and FIG. 3B is an enlarged view of a dotted line of FIG. 3A.
도 3a를 참조하면, 소자분리막(9)의 상부면과 상기 소자분리막(9)에 의해 한정된 활성영역상의 반도체 기판(1)의 상부면은 실제로는 동일한 레벨에 형성되지 못하고 미세한 단차가 존재함을 확인할 수 있다. 통상 소자분리막(9)은 반도체 기판(1)상에 패드 절연막 패턴을 형성하고 이를 식각 마스크로 트렌치를 형성한 다음, 상기 트렌치를 절연체로 매립하여 형성된다. 그런데 절연체를 매립한 후 반도체 기판(1)의 상부면까지 평탄화를 진행하는데, 이 때 평탄화의 기준을 패드 절연막 패턴이 형성된 위치로 잡는다. 따라서 공정상 소자분리막(9)의 상부면이 활성영역에 속하는 반도체 기판(10의 상부면 보다 미세하게 높게 형성될 수 밖에 없다. 그런데 소자분리막(9)과 반도체 기판(1)의 상부면간 단차가 존재하는 상태에서 터널링 절연막(3)/전하저장막(4)/블로킹 절연막(5)/게이트 도전막(6) 등이 그대로 적 층된다면, 이러한 막(3,4,5,6)들이 편편하게 형성될 수는 없다. 즉, 도 3a에 도시된 바와 같이, 터널링 절연막(3) 등이 소자분리막(9)과 소자분리막(9) 사이의 영역에서 반도체 기판(1)에 대해서 오목하게 형성된다. 이와 같이 소자분리막(9)과 반도체 기판(1)의 활성영역 경계에서의 단차는, 종래에는 특별한 고려 대상이 아니었으나, 최근에는 반도체 장치의 크기가 축소되면서 동작 특성에 영향을 미치는 인자로서 부각되고 있다. Referring to FIG. 3A, the upper surface of the device isolation film 9 and the upper surface of the semiconductor substrate 1 in the active region defined by the device isolation film 9 are not actually formed at the same level, and there are minute steps. You can check it. In general, the device isolation layer 9 is formed by forming a pad insulating film pattern on the semiconductor substrate 1, forming a trench with an etch mask, and then filling the trench with an insulator. However, after the insulator is buried, planarization is performed to the upper surface of the semiconductor substrate 1, at which time the reference for the planarization is set to the position where the pad insulating film pattern is formed. Therefore, in the process, the top surface of the device isolation film 9 is inevitably formed higher than the top surface of the semiconductor substrate 10 belonging to the active region. However, the step difference between the device isolation film 9 and the top surface of the semiconductor substrate 1 is increased. If the tunneling insulating film 3, the charge storage film 4, the blocking insulating film 5, the gate conductive film 6, and the like are laminated in the present state, the films 3, 4, 5, and 6 are flattened. That is, as shown in Fig. 3A, the tunneling insulating film 3 or the like is formed concave with respect to the semiconductor substrate 1 in the region between the device isolation film 9 and the device isolation film 9. As described above, the step at the boundary between the active region of the device isolation film 9 and the semiconductor substrate 1 has not been considered in the related art, but recently, as the size of the semiconductor device is reduced, it is highlighted as a factor affecting the operating characteristics. have.
도 3b를 참조하면, 소자분리막(9) 사이의 활성영역에서 터널링 절연막(3) 등의 두께가 중심과 가장자리에서 차이남을 확인할 수 있다. 따라서 데이터의 프로그램/소거 등을 위하여 전압을 인가하는 경우, 활성영역의 중심과 가장자리에 걸리는 전계가 달라진다. 즉, 도 3b에 도시된 바와 같이, 활성영역의 중심부에는 균일한 전계가 작용하지만 가장자리로 갈수록 전계가 불균일해지며 그 세기도 작아진다. 그런데, 앞서 도 1에서 살펴본대로, 데이터의 프로그램/소거는 상기 전계에 의해 가속된 전하가 터널링되면서 진행되므로, 위치에 따라 전계의 세기가 달라진다면 결과적으로 활성영역의 중심부와 가장자리에서의 프로그램/소거시 동작 속도가 차이나게 된다. 이러한 문제는 메모리 셀 크기가 축소되고, 활성영역의 가장자리 부분이 전체적으로 차지하는 면적이 증가하게 되면서 보다 심각해진다. Referring to FIG. 3B, it can be seen that the thickness of the tunneling insulating film 3 and the like is different in the center and the edge in the active region between the device isolation layers 9. Therefore, when a voltage is applied to program / erase data, the electric field applied to the center and the edge of the active region is changed. That is, as shown in FIG. 3B, a uniform electric field is applied to the center of the active region, but the electric field becomes nonuniform toward the edge and the intensity thereof becomes small. However, as described above with reference to FIG. 1, the program / erase of data proceeds as the electric charge accelerated by the electric field is tunneled. Therefore, if the intensity of the electric field varies depending on the position, the program / erase at the center and the edge of the active region is consequently. Speed is different. This problem becomes more serious as the size of the memory cell is reduced and the area occupied by the edge portion of the active area is increased.
본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 이를 해소하고자 제안되었으며, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 활성영역의 중심부와 가장자리에서 균일한 전계가 작용하여 데이터의 프로그램/소거시 위치에 따른 속도의 차이 없이 동작할 수 있는 비휘발성 반도체 메모리 장치 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been proposed to solve this problem in view of the above circumstances, and the technical problem to be achieved by the present invention is that a uniform electric field is applied at the center and the edge of the active area without a difference in speed depending on the location of the program / erase of data. A nonvolatile semiconductor memory device capable of operating and a method of manufacturing the same are provided.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 비휘발성 반도체 메모리 장치는, 반도체 기판의 활성영역을 한정하는 소자분리막이 소정 두께만큼 리세스되어 상기 리세스된 소자분리막 사이로 반도체 기판의 상부면이 돌출되게 형성된다. 또한 상기 소자분리막과 반도체 기판의 상부면을 따라 게이트 절연막과 게이트 도전막이 형성되며, 상기 게이트 절연막은 터널링 절연막, 전하저장막 및 블로킹 절연막으로 이루어진다. 상기한 구조에서는, 반도체 기판상에 형성된 게이트 절연막이 활성영역의 중심과 가장자리를 포함하여 모두 균일한 두께로 형성되며, 반도체 메모리 장치의 프로그램/소거를 위한 전계 또한 반도체 기판상의 위치에 상관없이 균일하게 인가될 수 있다. In order to achieve the above technical problem, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a device isolation film defining an active region of a semiconductor substrate is recessed by a predetermined thickness so that an upper surface of the semiconductor substrate protrudes between the recessed device isolation films. Is formed. A gate insulating film and a gate conductive film are formed along the upper surface of the device isolation film and the semiconductor substrate, and the gate insulating film includes a tunneling insulating film, a charge storage film, and a blocking insulating film. In the above structure, the gate insulating film formed on the semiconductor substrate is formed to have a uniform thickness, including the center and the edge of the active region, and the electric field for programming / erasing the semiconductor memory device is also uniform regardless of the position on the semiconductor substrate. Can be applied.
본 발명의 비휘발성 메모리 장치의 일실시예에 의하면, 상기 소자분리막의 리세스 영역을 터널링 절연막과 전하저장막만으로 채워지도록 할 수 있는데, 이러한 구조는 공정 단계에서 상기 전하저장막을 두껍게 형성함으로써 구현된다. 상기 소자분리막의 리세스 두께에는 특별한 제한은 없으나, 소자분리막의 기능이 약화되는 것을 방지하기 위해 최초 형성된 소자분리막 전체 두께의 5 ~ 20% 이내로 제한할 수 있다. According to an embodiment of the nonvolatile memory device of the present invention, the recess region of the device isolation layer may be filled with only the tunneling insulating layer and the charge storage layer, which is implemented by forming the charge storage layer thickly in the process step. . The recess thickness of the device isolation layer is not particularly limited, but may be limited to within 5 to 20% of the total thickness of the device isolation layer that is initially formed in order to prevent the function of the device isolation layer from being weakened.
또는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 소자분리막의 리세스 영역을 채우는 게이트 절연막이 소자분리막과 유사한 절연체 성분임을 감안하여, 소자분리막 전체를 리세스하여 제거하고 게이트 절연막으로 소자분리막을 대신할 수 있다. 구 체적으로, 상기 터널링 절연막은 실리콘 열산화막일 수 있으며, 상기 전하저장막은 실리콘질화막, 실리콘 옥시나이트라이드막, 고유전막, 실리콘 도트를 포함하는 막, 실리콘 게르마늄 도트를 포함하는 막, 게르마늄 도트를 포함하는 막, 금속 도트를 포함하는 막, 질화물 도트를 포함하는 막 중 어느 하나일 수 있고, 상기 블로킹 절연막은 실리콘산화막, 고유전막, 금속산화막 중 어느 하나이거나 이들을 조합한 막일 수 있다. Alternatively, according to another embodiment of the present invention, considering that the gate insulating film filling the recess region of the device isolation film is an insulator component similar to the device isolation film, the entire device isolation film may be recessed and removed to replace the device isolation film as the gate insulating film. have. Specifically, the tunneling insulating film may be a silicon thermal oxide film, and the charge storage film may include a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a high dielectric film, a film including silicon dots, a film containing silicon germanium dots, and germanium dots. The film may include any one of a film, a film including a metal dot, and a film including a nitride dot, and the blocking insulating film may be any one of a silicon oxide film, a high dielectric film, and a metal oxide film, or a combination thereof.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 블로킹 절연막과 게이트 도전막 사이에 금속막을 더 포함한다. 상기 금속막은 일함수인 4.0 eV 이상의 값을 가지는 도전물질로 그 대표적인 예는 질화티타늄막(TiN), 질화티타늄실리콘막(TiSiN), 질화탄탈륨막(TaN), 질화텅스텐막(WN), 질화하프뮴막(HfN), 질화탄탈륨실리콘막(TaSiN), 텅스텐막(W), 티타늄막(Ti) 중 어느 하나이거나 이들을 조합한 막으로 데이터의 소거 속도를 증가시키는 역할을 수행한다. According to another embodiment of the present invention, a metal film is further included between the blocking insulating film and the gate conductive film. The metal film is a conductive material having a value of 4.0 eV or more as a work function, and representative examples thereof are titanium nitride film (TiN), titanium silicon film (TiSiN), tantalum nitride film (TaN), tungsten nitride film (WN), and nitride nitride The film may be any one of, or a combination of, an aluminum film (HfN), a tantalum nitride silicon (TaSiN), a tungsten film (W), and a titanium film (Ti) to increase the data erase speed.
한편 위와 같은 비휘발성 반도체 메모리 장치를 제조하기 위해서는, 반도체 기판상에 소자분리막을 형성하여 활성영역을 한정하는 단계, 상기 소자분리막을 소정 두께 리세스 하는 단계, 상기 소자분리막과 활성영역에 속하는 반도체 기판의 상부면을 따라 순차적으로 게이트 절연막과 게이트 도전막을 형성하는 단계를 포함한다. 또한 본 발명의 비휘발성 반도체 메모리 장치의 일실시예로서, 게이트 절연막으로 소자분리막을 대체하는 경우에는, 별도의 소자분리막을 형성하여 리세스 시키지 않더라도 활성영역을 한정하는 트렌치를 형성한 후 곧바로 게이트 절연막과 게이트 도전막을 형성할 수도 있다. In order to manufacture the nonvolatile semiconductor memory device as described above, forming an isolation layer on a semiconductor substrate to define an active region, recessing the isolation layer by a predetermined thickness, and forming a semiconductor substrate belonging to the isolation layer and the active region Sequentially forming a gate insulating film and a gate conductive film along the upper surface of the substrate. In addition, as an embodiment of the nonvolatile semiconductor memory device of the present invention, in the case of replacing the device isolation film with the gate insulating film, a gate insulating film is formed immediately after forming a trench defining an active region even if a separate device isolation film is not recessed. And a gate conductive film may be formed.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 살펴보기로 한다. 다만 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다양한 형태로 응용되어 변형될 수도 있다. 오히려 아래의 실시예들은 본 발명에 의해 개시된 기술 사상을 보다 명확히 하고 나아가 본 발명이 속하는 분야에서 평균적인 지식을 가진 당업자에게 본 발명의 기술 사상이 충분히 전달될 수 있도록 제공되는 것일 뿐이므로, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 될 것이다. 또한 하기 실시예와 함께 제시된 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 크기는 명확한 설명을 강조하기 위해서 간략화되거나 다소 과장되어진 것이며, 도면상에 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be applied and modified in various forms. Rather, the following embodiments are provided only to clarify the technical spirit disclosed by the present invention and furthermore, to sufficiently convey the technical spirit of the present invention to those skilled in the art having an average knowledge in the field to which the present invention belongs. The scope of should not be construed as limited by the embodiments described below. In addition, in the drawings presented in conjunction with the following examples, the size of layers and regions are simplified or somewhat exaggerated to emphasize clarity, and like reference numerals in the drawings indicate like elements.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 비휘발성 반도체 메모리 장치의 게이트 방향 단면도이다. 4A through 4D are cross-sectional views of a gate direction of a nonvolatile semiconductor memory device according to various embodiments of the present disclosure.
도 4a를 참조하면, 반도체 기판(10)상에 활성영역을 한정하는 소자분리막(90)이 형성되며, 상기 소자분리막(90)과 활성영역에 속하는 반도체 기판(10)의 상부면을 따라 게이트 절연막(20)과 게이트 도전막(60)이 적층되어 있다. 상기 게이트 절연막(20)은, 가령 전형적인 비휘발성 메모리 장치 중 하나인 소노스 메모리 장치에서, 터널링 절연막(30)과 전하저장막(40) 및 블로킹 절연막(50)으로 이루어진다. 이 때, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 소자분리막(90)의 표면이 리세스 되어 그 상부면이 반도체 기판(10)에 비하여 낮게 형성되어 있다. 결과적으로 소자분 리막(90)의 사이로 활성영역에 속하는 반도체 기판(10)의 표면이 상측으로 돌출되어 있으며, 소자분리막(90)은 오목한 상태로 존재한다. 이를 종래 기술에 관한 도 3a와 비교한다면, 종래에는 소자분리막(90)이 반도체 기판(10)의 상부면에 비해 미세하게 높게 형성되어 있어서 게이트 절연막(20)이 단차지게 되는 부분이 소자분리막(90) 사이의 활성영역 내부로 침입하였던 것에 비하여, 본 발명에서는 반대로 게이트 절연막(20)의 두께가 불균일하게 형성되어 단차지게 되는 부분이 오목하게 리세스된 소자분리막(90) 내부쪽에 형성되는 것이다. 따라서 적어도 활성영역에 대해서만은 반도체 기판(10)상에 균일한 두께의 게이트 절연막(20)이 형성되고, 데이터의 프로그램/소거 등에 있어서 영역에 따라 동작 속도가 차이나는 문제를 해소할 수 있게 된다. Referring to FIG. 4A, an isolation layer 90 defining an active region is formed on a semiconductor substrate 10, and a gate insulating layer is formed along the upper surface of the isolation layer 90 and a semiconductor substrate 10 belonging to an active region. 20 and the gate conductive film 60 are laminated. The gate insulating film 20 may include a tunneling insulating film 30, a charge storage film 40, and a blocking insulating film 50 in a sonos memory device, which is one of typical nonvolatile memory devices. At this time, as shown in FIG. 4A, the surface of the device isolation film 90 is recessed so that the upper surface thereof is lower than that of the semiconductor substrate 10. As a result, the surface of the semiconductor substrate 10 belonging to the active region between the device isolation film 90 protrudes upward, the device isolation film 90 is in a concave state. Compared to FIG. 3A of the related art, the device isolation film 90 is formed slightly higher than the upper surface of the semiconductor substrate 10 so that the portion where the gate insulating film 20 is stepped is the device isolation film 90. In contrast, in the present invention, a portion where the thickness of the gate insulating film 20 is unevenly formed and stepped is formed inside the concave recessed isolation layer 90. Therefore, the gate insulating film 20 having a uniform thickness is formed on the semiconductor substrate 10 only at least for the active region, and the problem that the operation speed varies depending on the region in the program / erasure of data, etc. can be solved.
여기서 소자분리막(90)의 리세스 두께는 최초 활성영역을 한정하도록 형성되었던 소자분리막(90) 전체 두께의 5 ~ 20% 범위에서 선택될 수 있다. 소자분리막(90)을 깊게 리세스할 수록 게이트 절연막(20)이 단차지게 되는 영역이 리세스된 소자분리막(90) 내부 영역으로 이동하는 장점이 있다. 그러나 소자분리막(90)의 깊이가 감소하면서 각 소자들을 물리적 또는 전기적으로 겪리시키는 기능이 약화될 수도 있으므로, 일정하게 제한된 범위내에서 리세스 두께를 선택한다. 따라서 소노스 메모리 장치의 소자분리막(90)을 대략 4000Å 정도로 형성한 경우 소자분리막(90)의 300 ~ 400Å 정도를 리세스함이 바람직하다. 그러나 위와 같은 리세스 두께는 다소 상대적일 수 있는데, 만약 얇아진 소자분리막(90)의 두께로 인하여 문제가 발생할 염려가 있다면, 최초 소자분리막(90) 형성을 위한 트렌치를 보다 깊게 형성 하고 필요에 따라 충분한 두께의 소자분리막(90)을 리세스 시키는 방법을 적용할 수도 있다. The recess thickness of the device isolation layer 90 may be selected in a range of 5 to 20% of the total thickness of the device isolation layer 90 that was originally formed to define the active region. As the device isolation layer 90 is deeply recessed, an area where the gate insulating layer 20 is stepped may be moved to an inner region of the recessed device isolation layer 90. However, as the depth of the device isolation film 90 decreases, the function of causing each device to suffer physically or electrically may be weakened, so the recess thickness is selected within a limited range. Therefore, when the device isolation film 90 of the sonos memory device is formed at about 4000 mW, it is preferable to recess about 300 to 400 mW of the device isolation film 90. However, the above recess thickness may be somewhat relative. If there is a concern that the thickness of the device isolation layer 90 may cause a problem, the trench for forming the first device isolation layer 90 may be formed deeper and may be sufficient as necessary. A method of recessing the device isolation film 90 having a thickness may be applied.
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도면이다. 도 4b를 참조하면, 반도체 기판(10)상에 활성영역을 한정하는 소자분리막(90)이 형성되며, 상기 소자분리막(90)과 활성영역에 속하는 반도체 기판(10)의 상부면을 따라 터널링 절연막(30), 전하저장막(40), 블로킹 절연막(50)로 된 게이트 절연막(20)과 게이트 도전막(60)이 형성되어 있다. 상기 소자분리막(90)은, 그 표면이 리세스 되어 상부면이 반도체 기판(10)에 비하여 낮게 형성되어 있다. 도 4a와의 차이점은, 상기 소자분리막(90)의 리세스 영역은 터널링 절연막(30)과 전하저장막(40)만으로 채워쳐 있을 뿐, 상기 블로킹 절연막(50)은 리세스 영역으로 삽입하지 않게 형성된다는 점이다. 이는 메모리 장치의 동작상 큰 차이를 발생하는 것은 아니며, 제조 공정상 전하저장막(40)을 두껍게 형성한다는 점에서 차이난다. 4B is a view according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4B, an isolation layer 90 defining an active region is formed on the semiconductor substrate 10, and a tunneling insulating layer is formed along the upper surface of the isolation layer 90 and the semiconductor substrate 10 belonging to the active region. The gate insulating film 20 and the gate conductive film 60 made of the 30, the charge storage film 40, and the blocking insulating film 50 are formed. The surface of the device isolation film 90 is recessed, and the upper surface of the device isolation film 90 is lower than that of the semiconductor substrate 10. 4A, the recess region of the device isolation layer 90 is filled only with the tunneling insulation layer 30 and the charge storage layer 40, and the blocking insulation layer 50 is not inserted into the recess region. Is that. This does not cause a large difference in operation of the memory device, but differs in that the charge storage layer 40 is formed thick in the manufacturing process.
도 4c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도면이다. 도 4c를 참조하면, 본 실시예에서는, 반도체 기판(10)상에 활성영역을 한정하는 소자분리막을 위한 트렌치는 형성되어 있지만 별도의 소자분리막이 없는 구조이다. 즉 게이트 절연막(20)으로 소자분리막을 대체하도록 소자분리막 전체를 리세스시켜 제거한 것이다. 앞서 소자분리막이 리세스 되는 부분의 두께를 일정한 범위로 한정한 바 있으나, 실제 게이트 절연막(20)을 구성하는 물질은 아래에서 살펴보듯 모두 절연 물질이므로, 소자분리막을 모두 제거하더라도 게이트 절연막(20)으로서 소자 분리의 역할을 대신할 수 있다.4C is a view according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4C, in the present embodiment, a trench for an isolation layer defining an active region is formed on the semiconductor substrate 10, but there is no separate isolation layer. That is, the entire device isolation film is recessed and removed to replace the device isolation film with the gate insulating film 20. Although the thickness of the portion where the device isolation layer is recessed has been limited to a predetermined range, the materials constituting the gate insulating film 20 are all insulating materials, as described below. Thus, even if the device isolation film is removed, the gate insulating film 20 may be removed. As a substitute for device isolation.
게이트 절연막(20)의 최하부층은 터널링 절연막(30)으로 통상 실리콘 반도체 기판을 산화시킨 열산화막(SiO2)으로 이루어진다. 한편 소자분리막 또한 통상 고밀도 플라즈마(HDP; High Density Plasma) 등에 의한 산화막으로 형성되므로, 실질적인 성분은 동일하다. 다음으로 전하저장막(40)은, 트랩 밀도가 높고 전자친화력이 터널링 절연막(30)이나 블로킹 절연막(50)에 비하여 높은 절연막으로 통상 실리콘질화막(Si3N4)을 사용하며, 기타 실리콘 옥시나이트라이드막(SiON), 실리콘 도트를 포함하는 막, 질화물 도트를 포함하는 막, 강유전체막(ferroelectric layer) 등이 사용될 수 있다. 마지막으로 상기 블로킹 절연막(50)으로는, 통상 실리콘 산화막이 사용되나, 높은 유전 상수를 가지며 에너지 밴드갭이 큰 고유전막이나 금속산화막 등이 사용될 수 있다. 구체적으로 산화 알미늄막(Al2O3), 오산화 탄탈륨막(Ta2O5), 이산화 티타늄막(TiO2), 하프늄 알미늄 산화막(HfAlO, HfAlON), 하프늄 실리콘 산화막(HfSiO, HfSiON)과 같은 물질막을 사용하거나 위와 같은 고유전 물질막의 조합으로 이루어지는 막을 사용할 수 있다. The lowermost layer of the gate insulating film 20 is made of a thermal oxide film (SiO 2 ) obtained by oxidizing a silicon semiconductor substrate with the tunneling insulating film 30. On the other hand, since the device isolation film is usually formed of an oxide film by HDP (High Density Plasma) or the like, the substantial components are the same. Next, the charge storage film 40 uses a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) as an insulating film having a higher trap density and higher electron affinity than the tunneling insulating film 30 or the blocking insulating film 50. Ride films (SiON), films containing silicon dots, films containing nitride dots, ferroelectric layers and the like can be used. Lastly, as the blocking insulating film 50, a silicon oxide film is generally used, but a high dielectric film or a metal oxide film having a high dielectric constant and a large energy band gap may be used. Specifically, materials such as aluminum oxide film (Al 2 O 3 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), titanium dioxide film (TiO 2 ), hafnium aluminum oxide films (HfAlO, HfAlON), and hafnium silicon oxide films (HfSiO, HfSiON) A film may be used or a film made of a combination of the above high dielectric material films may be used.
위와 같이, 게이트 절연막(20)을 구성하는 3층막은 모두 절연성 물질로 이루어지므로, 게이트 절연막(20)으로 소자분리막을 대체할 수 있다. 특히 본 발명에 있어서는, 활성영역이 상대적으로 상부로 돌출되어 형성되어 있으므로 별도의 소자분리막이 없더라도 효과적인 소자간 격리가 이루어질 수 있어, 도 3c와 같이 소자분리막 전체를 리세스시킨 구조를 이용할 수 있다. As described above, since the three layer films constituting the gate insulating film 20 are all made of an insulating material, the device isolation film may be replaced with the gate insulating film 20. In particular, in the present invention, since the active region is formed to protrude relatively upward, effective isolation between devices can be achieved even without a separate device isolation layer, and a structure in which the entire device isolation layer is recessed can be used as shown in FIG. 3C.
도 4d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도면이다. 도 4d를 참조하면, 반도체 기판(10)상에 활성영역을 한정하는 소자분리막(90)이 형성되며, 상기 소자분리막(90)과 활성영역에 속하는 반도체 기판(10)의 상부면을 따라 게이트 절연막(20) 및 금속막(70)과 게이트 도전막(60)이 형성된다. 상기 소자분리막(90)의 상부면이 반도체 기판(10)의 상부면에 비하여 낮게 형성된 것외에, 특히 금속막(70)이 추가되었다. 도 4d는, 상기 금속막(70)이 추가된 구조를 도 4a의 실시예에 적용하여 금속막(70)이 소자분리막(90)이 리세스된 영역의 일부를 채우도록 형성되어 있다. 그러나 금속막(70)은 도 4b 또는 도 4c에 대해서도 적용될 수 있으며, 가령 도 4b에 적용된다면 소자분리막(90)이 리세스된 영역은 터널링 절연막(30)과 전하저장막(40)으로만 채워지고 금속막(70)은 블로킹 절연막(50)의 상부에만 형성된다. 상기 금속막(70)은, 통상 게이트 도전막(60)으로 사용되는 n형 폴리실리콘 보다 일함수가 커야 한다. 구체적으로는 일함수가 4eV 이상인 질화티타늄막(TiN), 질화티타늄실리콘막(TiSiN), 질화탄탈륨막(TaN), 질화텅스텐막(WN), 질화하프뮴막(HfN), 질화탄탈륨실리콘막(TaSiN)이나 이들 막 성분을 조합한 막 등을 사용할 수 있다. 4d is a view according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4D, an isolation layer 90 defining an active region is formed on the semiconductor substrate 10, and a gate insulating layer is formed along the upper surface of the isolation layer 90 and the semiconductor substrate 10 belonging to the active region. 20, metal film 70, and gate conductive film 60 are formed. In addition to the upper surface of the device isolation film 90 is lower than the upper surface of the semiconductor substrate 10, in particular a metal film 70 was added. 4D is applied to the embodiment of FIG. 4A to which the metal film 70 is added, so that the metal film 70 fills a part of the region where the device isolation film 90 is recessed. However, the metal film 70 may also be applied to FIG. 4B or 4C. For example, if the metal film 70 is applied to FIG. 4B, the region where the device isolation film 90 is recessed may be filled only with the tunneling insulating film 30 and the charge storage film 40. The metal film 70 is formed only on the blocking insulating film 50. The metal film 70 should have a larger work function than the n-type polysilicon normally used as the gate conductive film 60. Specifically, a titanium nitride film (TiN), titanium nitride film (TiSiN), tantalum nitride film (TaN), tungsten nitride film (WN), hafnium nitride film (HfN), or tantalum silicon nitride film (TaSiN) having a work function of 4 eV or more. ) And a film obtained by combining these film components.
위와 같이 추가된 금속막(70)은 게이트 도전막(60)과 함께 게이트 전극을 구성하며 소거 모드에서 소거 및 쓰기 동작시간을 단축시키는 역할을 수행한다. 앞서 살펴 본 바와 같이, 소거 모드에서는 전하저장막(40) 내의 트랩에 포획된 전자가 터널링 절연막(30)을 통하여 반도체 기판(10)으로 방출되는데, 이 때 게이트 도전막(60)에서 블로킹 절연막(50)을 터널링하여 전하저장막(40)으로 전자가 주입될 수 있다. 이러한 전자는 소거 시간을 지연시키는 요인으로 작용하나, 본 발명의 실시예에서 금속막(70)을 추가함으로써 게이트 도전막(60)과 블로킹 절연막(50) 사이에 높은 전위 장벽을 형성하게 된다. 이로 인하여 전자가 블로킹 절연막(50)을 터널링할 확률은 낮아지게 되고 소거 모드에서의 동작 시간도 단축된다. 도 4d에 도시된 바와 같이 금속막(70)과 폴리실리콘 도전막(60)을 차례로 적층하여 전극을 형성할 수도 있지만, 이와 달리 n형 폴리실리콘에 비하여 높은 일함수를 가지는 금속막(70)만으로도 전극을 형성할 있다. The metal layer 70 added as described above forms a gate electrode together with the gate conductive layer 60 and serves to shorten the erase and write operation time in the erase mode. As described above, in the erase mode, the electrons trapped in the trap in the charge storage film 40 are emitted to the semiconductor substrate 10 through the tunneling insulating film 30. In this case, the blocking insulating film ( By tunneling 50, electrons may be injected into the charge storage layer 40. These electrons act as a factor to delay the erase time, but in the embodiment of the present invention, by adding the metal film 70, a high potential barrier is formed between the gate conductive film 60 and the blocking insulating film 50. As a result, the probability of electrons tunneling the blocking insulating film 50 is reduced, and the operation time in the erase mode is also shortened. As shown in FIG. 4D, an electrode may be formed by sequentially stacking the metal film 70 and the polysilicon conductive film 60. Alternatively, the metal film 70 having a higher work function than the n-type polysilicon may be used. An electrode can be formed.
도 4a 내지 도 4d에 도시된 반도체 메모리 장치를 제조하는 방법에 대해서 살펴본다. 본 발명의 비휘발성 반도체 메모리 장치의 제조방법에서는 소자분리막을 리세스 시키는 단계가 포함됨을 특징으로 한다. 이하에서는 도 4a의 실시예에 대한 제조방법을 도 5a 내지 5e를 참조하면서 살펴볼 것이나, 도 4b 내지 도 4d에 도시된 발명에 대해서도 유사한 제조방법이 적용될 수 있다. A method of manufacturing the semiconductor memory device shown in FIGS. 4A to 4D will be described. A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is characterized by including the step of recessing the device isolation film. Hereinafter, a manufacturing method for the embodiment of FIG. 4A will be described with reference to FIGS. 5A to 5E, but a similar manufacturing method may be applied to the invention shown in FIGS. 4B to 4D.
도 5a를 참조하면, 반도체 기판(10)상에 활성영역을 한정하는 소자분리막(90)을 형성한다. 상기 소자분리막(90)은 통상의 얕은 트렌치 분리(STI; Shallow Trench Isolation) 방법에 따라 형성될 수 있다. 가령, 반도체 기판(10)에 산화막과 질화막으로 이루어진 패드 절연막을 형성한 후, 이들을 패터닝하여 반도체 기판(10)의 트렌치가 형성될 영역을 노출시킨다. 이어서 상기 패터닝된 패드 절연막을 마스크로 사용하여 반도체 기판(10)을 식각하여 트렌치를 형성한다. 다음으로 트렌치가 형성된 결과물 전면에 실리콘 산화막(미도시)을 형성하여 트렌치 내벽을 보호한 후, 갭필 성능이 우수한 USG(Undoped Silicate Glass)막이나 HDP(High Density Plasma) 산화막 등으로 트렌치 내부를 매립한다. 이 후 상기 트렌치를 매립한 산화 막을 평탄화하고 패드 절연막 패턴을 제거하면, 도 5a와 같이 활성영영과 비활성영역을 구분하는 소자분리막(90)이 형성된다. Referring to FIG. 5A, an isolation layer 90 defining an active region is formed on the semiconductor substrate 10. The isolation layer 90 may be formed according to a conventional shallow trench isolation (STI) method. For example, after forming a pad insulating film made of an oxide film and a nitride film on the semiconductor substrate 10, they are patterned to expose a region where the trench of the semiconductor substrate 10 is to be formed. Subsequently, the semiconductor substrate 10 is etched using the patterned pad insulating layer as a mask to form a trench. Next, a silicon oxide film (not shown) is formed on the entire surface of the resultant trench to protect the inner wall of the trench, and the trench is filled with an USG (Undoped Silicate Glass) film or HDP (High Density Plasma) oxide film having excellent gap fill performance. . Thereafter, when the oxide film filling the trench is planarized and the pad insulating film pattern is removed, an isolation layer 90 is formed to separate the active and inactive regions as shown in FIG. 5A.
도 5b를 참조하면, 상기 소자분리막(90)을 리세스하여 표면으로부터 일정한 두께를 제거한다. 제거되는 두께는 최초 형성되었던 소자분리막(90) 두께의 5 ~ 20% 범위내에서 결정할 수 있으며, 가령 4000Å 정도의 소자분리막(90)이 형성되었다면 대략 300 ~ 400Å 정도를 리세스 시킬 수 있다. 상기 소자분리막(90)의 식각은 산화막에 대한 건식 또는 습식 식각을 모두 이용할 수 있다. 예컨대 습식 식각을 적용하는 경우, 불화수소(HF)를 이용한 완충용액(BOE; Buffered Oxide Etchant)이나 불화수소를 물로 희석한 용액으로 에치백을 적용한다. 이 때 반도체 기판(10)을 식각액에 담그거나 식각액을 반도체 기판(10)상에 분사하는 방식 등을 이용한다. Referring to FIG. 5B, the device isolation layer 90 is recessed to remove a predetermined thickness from the surface. The thickness to be removed may be determined within a range of 5 to 20% of the thickness of the device isolation film 90 that was originally formed. For example, when the device isolation film 90 of about 4000 mW is formed, the thickness may be approximately 300 to 400 mW. The etching of the device isolation layer 90 may use both dry and wet etching of the oxide layer. For example, when wet etching is applied, an etchback is applied using a buffered solution of hydrogen fluoride (HF) or a solution of hydrogen fluoride diluted with water. At this time, the semiconductor substrate 10 is immersed in an etchant, or the etchant is sprayed onto the semiconductor substrate 10.
본 발명의 비휘발성 반도체 메모리 장치는 반도체 기판(10)이 소자분리막(90)에 비하여 상부로 돌출된 특징이 있다. 그런데 도 5b에서는, 반도체 기판(10)과 소자분리막(90)을 동일한 레벨로 형성한 상태에서, 소자분리막(90)을 리세스하여 소자분리막(90)의 높이를 낮춤으로써 반도체 기판(10)이 돌출되도록 한 것이다. 하지만 유사한 원리로서 반도체 기판(10)과 소자분리막(90)을 동일한 레벨로 형성한 상태에서, 반도체 기판(10)을 선택적 에피택시 방법으로 성장시켜 반도체 기판(10)의 높이를 높힘으로써 반도체 기판(10)이 돌출되도록 할 수도 있다. 아울러 도 4c에 도시된 실시예와 같이 게이트 절연막(20)으로 소자분리막(90)을 대체하는 경우에는, 굳이 소자분리막(90)을 형성할 필요가 없다. 따라서 소자분리막(90)을 형 성한 후 전체를 리세스 시킬 수도 있겠지만, 활성영역을 한정하는 트렌치를 형성한 후 소자분리막(90)의 형성 및 리세스 단계를 생략하고, 곧바로 게이트 절연막(20)과 게이트 도전막(60)을 증착하는 단계(도 5c 및 도 5d 참조)를 적용할 수 있다. The nonvolatile semiconductor memory device of the present invention is characterized in that the semiconductor substrate 10 protrudes upward from the device isolation layer 90. In FIG. 5B, the semiconductor substrate 10 is formed by lowering the height of the device isolation film 90 by recessing the device isolation film 90 while the semiconductor substrate 10 and the device isolation film 90 are formed at the same level. It is intended to protrude. However, in a similar principle, in the state where the semiconductor substrate 10 and the device isolation film 90 are formed at the same level, the semiconductor substrate 10 is grown by a selective epitaxy method to increase the height of the semiconductor substrate 10. 10) may be protruded. In addition, when the device isolation film 90 is replaced with the gate insulating film 20 as shown in FIG. 4C, it is not necessary to form the device isolation film 90. Therefore, although the entire device may be recessed after the device isolation film 90 is formed, the trenches defining the active region may be formed, and the formation and recess steps of the device isolation film 90 may be omitted, and the gate insulating film 20 may be immediately removed. A step of depositing the gate conductive layer 60 (see FIGS. 5C and 5D) may be applied.
도 5c를 참조하면, 소자분리막(90)이 리세스된 결과물상에 터널링 절연막(30)과 전하저장막(40) 및 블로킹 절연막(50)으로 이루어진 게이트 절연막(20)을 형성한다. 상기 터널링 절연막(30)은 도 5b 상태의 결과물을 열산화하거나 또는 저압화학기상증착(LPCVD; Low Pressure CVD)법에 의해 형성할 수 있다. 다음으로 전하저장막(40)을 형성하는데, 통상의 질화막으로 형성한다면 상기 터널링 절연막(30)을 질화(nitridation) 처리하거나 또는 저압화학기상증착법에 형성할 수 있다. 이어서 상기 전하저장막(40)의 상부로 열산화법 등을 적용하여 블로킹 절연막(50)을 형성한다. Referring to FIG. 5C, the gate insulating film 20 including the tunneling insulating film 30, the charge storage film 40, and the blocking insulating film 50 is formed on the resultant device isolation film 90. The tunneling insulating layer 30 may be formed by thermal oxidation of a resultant product of FIG. 5B or by low pressure CVD (LPCVD). Next, the charge storage layer 40 is formed. If the nitride layer is formed of a conventional nitride layer, the tunneling insulating layer 30 may be formed by nitriding or low pressure chemical vapor deposition. Subsequently, a thermal insulating method or the like is applied on the charge storage layer 40 to form the blocking insulating layer 50.
도 5d를 참조하면, 상기 게이트 절연막(20)이 형성된 결과물상에 게이트 도전막(60)을 형성한다. 여기서 도 4d의 실시예와 같이 게이트 도전막(60)에 앞서 별도의 금속막을 형성할 수도 있다. 상기 게이트 도전막(60)은 도핑된 폴리실리콘이거나 또는 상기 도핑된 폴리실리콘과 금속실리사이드로 구성할 수 있다. 상기 폴리실리콘은 화학기상증착법으로 증착하며, 증착 과정에서 불순물을 도핑하거나 또는 증착 후 불순물을 도핑하여 도전성을 갖도록 할 수 있다. Referring to FIG. 5D, the gate conductive layer 60 is formed on the resultant product on which the gate insulating layer 20 is formed. Here, as in the embodiment of FIG. 4D, a separate metal film may be formed before the gate conductive film 60. The gate conductive layer 60 may be doped polysilicon or may be composed of the doped polysilicon and metal silicide. The polysilicon may be deposited by chemical vapor deposition, and may have conductivity by doping impurities in the deposition process or by doping impurities after deposition.
도 5e를 참조하면, 마지막으로 상기 게이트 절연막과 게이트 도전막을 패터닝하고 불순물 이온을 주입하는 등의 일반 공정을 진행한다. 참고로 도 5a 내지 5e에 있어서, 도 5a 내지 도 5d는 게이트 방향의 단면도이며, 도 5e는 비트라인을 따 라 절단한 단면도이다. 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 게이트 도전막과 게이트 절연막을 연속적으로 패터닝하여 게이트 전극(80s, 80w, 80g)을 형성하는데, 여기에느 스트링 선택라인(80s)과 접지 선택라인(80g) 및 복수개의 워드라인(80w)이 포함된다. 이어서 상기 게이트 전극(80s, 80w, 80g)을 이온 주입 마스크로 사용하여 상기 반도체 기판(10)의 불순물 영역(85)에 불순물 이온들을 주입하고 트랜지스터를 형성한다. 이 후 반도체 기판(10)의 전면 상에 층간절연막을 형성하고, 상기 불순물 영역(85)에 접속되는 콘택이나 상기 콘택에 접속된 비트라인을 형성하는 통상의 공정을 거치게 된다. Referring to FIG. 5E, a general process such as patterning the gate insulating film and the gate conductive film and implanting impurity ions is performed. For reference, in FIGS. 5A to 5E, FIGS. 5A to 5D are cross-sectional views in a gate direction, and FIG. 5E is a cross-sectional view taken along a bit line. As shown in FIG. 5E, the gate conductive layer and the gate insulating layer are successively patterned to form gate electrodes 80s, 80w, and 80g, which include a string select line 80s and a ground select line 80g, A plurality of word lines 80w are included. Subsequently, impurity ions are implanted into the impurity region 85 of the semiconductor substrate 10 using the gate electrodes 80s, 80w, and 80g as ion implantation masks to form transistors. Thereafter, an interlayer insulating film is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 10, and a normal process of forming a contact connected to the impurity region 85 or a bit line connected to the contact is performed.
이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명에 의하면, 반도체 기판상에 균일한 두께의 게이트 절연막을 형성하여, 데이터의 프로그램/소거를 위한 동작시 반도체 기판 활성영역의 중심부와 가장자리를 포함하여 어떠한 위치에서도 동일한 크기의 전계가 작동할 수 있다. 따라서 반도체 기판상의 특정 위치와 상관없이 동일한 속도로 데이터의 프로그램/소거 동작이 이루어지는 등, 반도체 메모리 장치의 성능을 전반적으로 향상시킬 수 있다. As described above, according to the present invention, a gate insulating film having a uniform thickness is formed on a semiconductor substrate, and the same size is formed at any position including the center and the edge of the active region of the semiconductor substrate during the program / erase operation of data. Can be operated. Therefore, the performance of the semiconductor memory device can be improved overall, such as the program / erase operation of data at the same speed regardless of a specific position on the semiconductor substrate.

Claims (20)

  1. 반도체 기판의 활성영역을 한정하는 소자분리막과, 상기 소자분리막과 반도체 기판의 상부면을 따라 형성된 터널링 절연막과 전하저장막과 블로킹 절연막으로 이루어진 게이트 절연막 및, 상기 게이트 절연막 상부에 형성된 게이트 도전막을 포함하며;A device isolation film defining an active region of the semiconductor substrate, a gate insulating film formed of a tunneling insulating film, a charge storage film, and a blocking insulating film formed along the upper surface of the device isolation film and the semiconductor substrate, and a gate conductive film formed on the gate insulating film. ;
    상기 소자분리막이 소정 두께로 리세스되어 상기 리세스된 소자분리막 사이로 활성영역에 속하는 반도체 기판의 상부면이 돌출되어 형성되고, 상기 리세스된 소자분리막의 영역은 상기 게이트 절연막에 의해 채워지고, 상기 게이트 절연막은 상기 활성영역 상에서 균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The device isolation layer is recessed to a predetermined thickness so that an upper surface of the semiconductor substrate belonging to the active region is formed to protrude between the recessed device isolation layers, and the region of the recessed device isolation layer is filled by the gate insulating layer. And a gate insulating layer has a uniform thickness on the active region.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 리세스된 소자분리막 영역은 상기 게이트 절연막 중 상기 터널링 절연막과 전하저장막으로만 채워진 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The nonvolatile semiconductor memory device of claim 1, wherein the recessed isolation region is filled only with the tunneling insulating layer and the charge storage layer of the gate insulating layer.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 게이트 절연막과 게이트 도전막 사이에 금속막이 더 포함된 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The nonvolatile semiconductor memory device of claim 1, further comprising a metal layer between the gate insulating layer and the gate conductive layer.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 금속막은 상기 리세스된 소자분리막 영역을 채우도록 형성된 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. 4. The nonvolatile semiconductor memory device of claim 3, wherein the metal film is formed to fill the recessed device isolation region.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소자분리막의 리세스 두께는 전체 두께의 5 ~ 20% 인 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The nonvolatile semiconductor memory device of claim 1, wherein the recess thickness of the device isolation layer is 5 to 20% of the total thickness.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 소자분리막의 리세스 두께는 300 ~ 400Å 인 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. 6. The nonvolatile semiconductor memory device of claim 5, wherein the recess thickness of the device isolation layer is about 300 to about 400 microns.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소자분리막 전체를 리세스하여 제거하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 4, wherein the entire device isolation film is recessed and removed.
  8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터널링 절연막은 실리콘 열산화막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 4, wherein the tunneling insulating film is made of a silicon thermal oxide film.
  9. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전하저장막은 실리콘질화막, 실리콘 옥시나이트라이드막, 고유전막, 실리콘 도트를 포함하는 막, 실리콘 게르마늄 도트를 포함하는 막, 게르마늄 도트를 포함하는 막, 금속 도트를 포함하는 막, 질화물 도트를 포함하는 막 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. 5. The charge storage film of claim 1, wherein the charge storage film comprises a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a high dielectric film, a film containing silicon dots, a film containing silicon germanium dots, and germanium dots. Non-volatile semiconductor memory device, characterized in that any one of a film, a film containing a metal dot, a film containing a nitride dot.
  10. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 블로킹 절연막은 실리콘 산화막, 고유전막, 금속산화막 중 어느 하나이거나 상기 막 성분을 2이상 조합하여 이루어진 막인 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 4, wherein the blocking insulating film is any one of a silicon oxide film, a high dielectric film, and a metal oxide film, or a film formed by combining two or more of the film components.
  11. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 게이트 도전막은 폴리실리콘으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 1 to 4, wherein the gate conductive film is made of polysilicon.
  12. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 금속막의 일함수는 4.0 eV 보다 큰 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The nonvolatile semiconductor memory device of claim 3, wherein a work function of the metal film is greater than 4.0 eV.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 금속막은 질화티타늄막(TiN), 질화티타늄실리콘막(TiSiN), 질화탄탈륨막(TaN), 질화텅스텐막(WN), 질화하프뮴막(HfN), 질화탄탈륨실리콘막(TaSiN), 티타늄막(Ti), 텅스텐막(W), 이리듐막(Ir, IrO), 백금막(Pt) 중 어느 하나이거나 상기 막 성분을 2이상 조합하여 이루어진 막인 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치. The metal film of claim 12, wherein the metal film is a titanium nitride film (TiN), a titanium nitride film (TiSiN), a tantalum nitride film (TaN), a tungsten nitride film (WN), a hafnium nitride film (HfN), or a tantalum nitride silicon film ( Non-volatile semiconductor memory, characterized in that any one of TaSiN, titanium film (Ti), tungsten film (W), iridium film (Ir, IrO), platinum film (Pt) or a combination of two or more of the film components Device.
  14. 반도체 기판상에 소자분리막을 형성하여 활성영역을 한정하는 단계;Forming an isolation layer on the semiconductor substrate to define an active region;
    상기 소자분리막을 소정 두께 리세스 하는 단계; Recessing the device isolation layer by a predetermined thickness;
    상기 소자분리막과 활성영역에 속하는 반도체 기판의 상부면을 따라 터널링 절연막, 전하저장막, 및 블로킹 절연막으로 이루어진 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및Forming a gate insulating film including a tunneling insulating film, a charge storage film, and a blocking insulating film along an upper surface of the device isolation film and a semiconductor substrate belonging to an active region; And
    상기 게이트 절연막 상에 게이트 도전막을 형성하는 단계를 포함하며,Forming a gate conductive film on the gate insulating film,
    상기 게이트 절연막은 상기 활성영역 상에서 균일한 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치의 제조방법. And the gate insulating film is formed to have a uniform thickness on the active region.
  15. 삭제delete
  16. 제 14항에 있어서, 상기 게이트 절연막과 게이트 도전막의 사이에 금속막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치의 제조방법. 15. The method of claim 14, further comprising forming a metal film between the gate insulating film and the gate conductive film.
  17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소자분리막의 리세스 단계는 소자분리막의 소정 두께를 건식 또는 습식 식각하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치의 제조방법. The method of claim 14, wherein the recessing of the device isolation layer is performed by dry or wet etching a predetermined thickness of the device isolation layer.
  18. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소자분리막의 리세스 단계는 소자분리막 전체를 건식 또는 습식 식각으로 제거하는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치의 제조방법. 17. The method of claim 14, wherein the recessing of the device isolation layer removes the entire device isolation layer by dry or wet etching.
  19. 반도체 기판상에 활성영역을 한정하는 트렌치를 형성하는 단계;Forming a trench defining an active region on the semiconductor substrate;
    상기 트렌치와 활성영역에 속하는 반도체 기판의 상부면을 따라 터널링 절연막, 전하저장막, 및 블로킹 절연막으로 이루어진 게이트 절연막을 형성하는 단계; 및Forming a gate insulating film including a tunneling insulating film, a charge storage film, and a blocking insulating film along an upper surface of the semiconductor substrate belonging to the trench and the active region; And
    상기 게이트 절연막 상에 게이트 도전막을 형성하는 단계를 포함하며,Forming a gate conductive film on the gate insulating film,
    상기 게이트 절연막은 상기 활성영역 상에서 균일한 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 비휘발성 반도체 메모리 장치의 제조방법. And the gate insulating film is formed to have a uniform thickness on the active region.
  20. 삭제delete
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